內熱式直立蘭炭爐煤氣品質改善及利用分析

方新軍

（陜煤神木能源發展有限公司，陜西 神木719300）

1 提升蘭炭煤氣品質的意義

2019年我國蘭炭產量5 600萬t[1]，蘭炭生產過程產生煤氣量約450×108m3，其中約300×108m3用于發電、100×108m3用作金屬鎂生產的燃料氣、50×108m3用作煤焦油加氫的制氫原料氣。內熱式蘭炭爐煤氣的熱值在6 279 kJ/m3～7 116 kJ/m3，其有效成分體積分數為：CO 13.0%、H225.0%、CH47.5%。以100×108m3蘭炭煤氣利用為例，將其用于發電或生產尿素、LNG，兩種利用方式的效益對比見表1。

表1 100×108 m3蘭炭煤氣用于發電和生產尿素、LNG兩種利用方式效益對比

從表1可以看出，蘭炭煤氣制化學品的附加值是發電的2倍以上，但現有內熱式蘭炭爐煤氣中N2等惰性組分體積分數在43%以上，用于生產化學品時氣體的壓縮功耗較高，噸醇氨的電耗增加800 kWh以上。因此，研究探討蘭炭煤氣品質的提升，對于其向制取化學品的方向發展意義重大。

2 內熱式蘭炭爐工藝分析

國內蘭炭生產工藝主要采用神木三江煤化工有限責任公司的SJ型爐、中鋼鞍山熱能研究院有限公司的RNZL型爐和陜西冶金研究設計院SH型爐等3種爐型[2]。這3種爐型的干餾原理基本一致，都是采用回爐煤氣燃燒后產生的高溫煙氣對煤炭進行干餾（氣體熱載體法干餾），具體的工藝流程示意圖見圖1。

具體工藝流程為：（1）塊煤的干餾。塊煤進入蘭炭爐頂上部的煤倉內，定期通過煤倉裝進干餾爐內。干餾爐的上段為干燥段，塊煤被上升的煤氣加熱到200℃～300℃；塊煤繼續向下移動進入中部的干餾段，被燃燒室來的高溫煙氣加熱到750℃左右，并被炭化為半焦；熾熱的半焦移動到下部的冷卻段，被熄焦產生的蒸汽和熄焦水冷卻到80℃左右，然后通過刮板機送入緩沖倉，排到膠帶輸送機上，輸送進產品焦儲棚。（2）荒煤氣的凈化?；拿簹饨浬仙苓M入集氣槽，經橫管冷卻器降溫至40℃以下并分離出部分煤焦油、冷凝水；冷卻后的煤氣經靜電除焦捕捉焦油、冷凝水和粉塵；凈化后的煤氣經煤氣加壓風機部分回爐加熱，部分外送。（3）高溫煙氣的產生。凈化后的煤氣和鼓風機來的空氣經燒嘴混合，在水平火道內燃燒產生高溫煙氣，高溫煙氣通過進氣孔進入炭化室，將熱量傳遞給塊煤，進行炭化。

通過物料衡算可知：生產1 t蘭炭需要助燃空氣量約為420 m3（因干餾的程度不同，不同裝置的數據會有變化），外送煤氣量約829 m3，其中帶入N2約332 m3。外送的蘭炭煤氣含N2體積分數在43.0%左右，其中約3～5個百分點的N2是煤在干餾時產生的，約40個百分點的N2是助燃空氣帶入的。要把內熱式直立蘭炭爐煤氣中的N2含量降到合理范圍內，唯有降低助燃氣體中的N2含量，或者研究產生煤干餾用高溫載熱氣體的新方式。

3 提高內熱式蘭炭爐煤氣品質的途徑

有3種方式可以提高蘭炭煤氣的品質，一是采用外熱式加熱方式，煤的干餾過程隔絕空氣，副產的煤氣品質較好，國內唯一一套外熱式蘭炭裝置（60萬t/a）在內蒙古伊東集團，配套有10萬t/a的蘭炭煤氣制甲醇項目；二是采用富氧或者純氧取代空氣作為助燃劑，在蘭炭爐內燃燒后產生的高溫煙氣作為煤熱解的載熱體[3]；三是采用間接加熱的方式，以800℃～850℃高溫煤氣作為煤熱解的載熱體[4]。外熱式蘭炭爐副產的煤氣品質雖好，但其爐體結構復雜，生產運行和檢修的難度較大，投資是內熱式直立蘭炭爐的2.5倍以上，因此以下重點探討內熱式蘭炭爐煤氣品質的改善方式。

3.1 采用富氧作為助燃劑

氨合成的合成氣中H2、N2體積比為3∶1，按前述蘭炭煤氣中H2體積分數25.0%、N2體積分數43.0%計算，1 m3內熱式蘭炭煤氣生產合成氨時消耗N20.083 m3，過剩N20.346 m3。生產1 t蘭炭需要助燃空氣量420 m3，其中O288 m3、N2332 m3；生產1 t蘭炭外送煤氣量為829 m3，該煤氣用于合成氨生產時N2過剩量為287 m3，即助燃氣中的N2達到45 m3就可滿足合成氨的氫氮比要求，折算成富氧氣中氧氣體積分數約為66%，用變壓吸附技術制取富氧[5]即可。

3.2 以純氧和二氧化碳、水蒸氣等混合作為助燃劑

若蘭炭煤氣用于生產甲醇，則煤氣中的N2含量越低越好，因此必須考慮使用純氧作為助燃劑。從目前使用純氧作為助燃劑的試驗效果來看，存在著燒嘴壽命短和火道易高溫坍塌的問題，應該從純氧稀釋燃燒考慮解決問題。趙士杰等[3]采用三元流體燃燒器將純氧分別和二氧化碳或蒸汽混合，可使燃燒改善，火焰拉長；試驗結果表明，在O2、飽和蒸汽體積比為2∶8時的效果最為明顯，而且蘭炭的品質基本不變，煤氣主要成分有質的改善，其組成（體積分數）為CO 48.0%、H230.0%、CO25.0%、N24.4%、CH412.0%。

3.3 以高溫煤氣作為氣體熱載體

王永剛[4]提出用加熱爐把煤氣加熱到800℃～850℃后，作為熱載體送入蘭炭爐內干餾煤，干餾溫度600℃～650℃，煤氣成分（體積分數）為CO 23.9%、H233.0%、CO219.7%、N23.0%、CH420.1%。這種方式的難點在于加熱爐爐管材質的選取，建議選用石油裂解管或者其他耐高溫不銹鋼管，入爐段煤氣管道選用帶內襯的鋼管，或者直接選用耐高溫不銹鋼管。除了材料選用的問題以外，該方式還存在著管內煤氣所夾帶的煤焦油在800℃～850℃高溫下結焦堵塞的問題，因此要求入爐煤氣凈化度高，需要從煤氣變溫吸附（TSA）等凈化裝置后取氣。

以上3種方式都可以提高蘭炭煤氣的品質，在具體研究和選擇時，應根據用戶資金狀況、管理水平和產品方案來確定。

4 建設純氧法內熱式蘭炭爐示范性工廠

2019年榆林市生產蘭炭3 662.5萬t[6]，約占全國產量的60%，蘭炭產業在榆林的國民經濟中舉足輕重。目前有兩大問題制約蘭炭產業發展：一是蘭炭煤氣大部分用作發電的燃料氣，附加值不高，火電發展前景不好；二是蘭炭生產過程中的環保問題，包括過剩的高酚氨廢水的處理、惡臭及揮發性氣體的無組織排放和存儲環節的粉塵污染等。這些問題的產生是因為蘭炭行業的起點較低、所采用的設計標準不高、資金投入不足。從技術角度來看，完全可以高標準、高質量地建設一座整潔、綠色、高效的現代化煤熱解及煤氣利用工廠，形成一條特色鮮明的循環經濟產業鏈，解決上述問題。

具體思路：設計建設一座年處理原煤1 000萬t的純氧法蘭炭及干餾煤氣制甲醇/烯烴、LNG工廠。原煤和焦品全部使用地下皮帶和筒倉密閉輸送、存儲，地面不見煤。其中，煤泥、煤矸石約115萬t作熱電鍋爐的燃料，篩選0～3 mm的末煤約135萬t作低階煤粉煤熱解原料[7]，3 mm～30 mm小粒煤約450萬t作純氧法小粒煤干餾原料，30 mm～80 mm塊煤約300萬t作純氧法塊煤干餾的原料。年共生產干餾煤氣35×108m3、蘭炭580萬t（含粉焦）、中低溫煤焦油75萬t（以干基煤計，直立蘭炭爐的產油率＞7%[8]，粉煤熱解的產油率17.12%[9]）。110萬t粉焦氣化[10]后生產80萬t甲醇，35×108m3干餾煤氣生產100萬t甲醇及30萬t LNG，最終用180萬t甲醇生產60萬t烯烴。75萬t煤焦油加氫后生產芳烴及精細化學品等高附加值的產品。建設一座處理能力為200 m3/h的酚氨廢水資源化利用裝置，回收粗酚、氨等并作為生化的預處理系統。最終實現進來的是原料，出去的是產品，達到“吃干榨盡，效益最大”的目的。1 000萬t/a純氧法蘭炭示范工廠產品鏈示意圖見圖2。示范工廠的建設運行對蘭炭產業健康發展、煤氣及煤焦油的高附加值利用都具有重要意義。

圖2 1 000萬t/a純氧法蘭炭示范工廠產品鏈示意圖

5 結 語

內熱式直立蘭炭爐作為低階煤分質利用的一種爐型，結構簡單、操作簡便、投資合理，在化工、冶煉等行業應用前景較好。如果蘭炭煤氣的品質能得到提升，就可以作為醇氨或者制氫的低成本原料氣，大幅度提高其附加值。高標準地設計、建設一套純氧法蘭炭裝置，配套相應的干餾煤氣制甲醇/烯烴、LNG，煤焦油加氫生產芳烴、精細化學品等，達到“吃干榨盡，效益最大”的目的，對引導蘭炭產業健康、可持續發展，并形成特色鮮明的循環經濟產業鏈具有示范意義。